第三章 液壓執(zhí)行元件及輔助元件

1、第3章 液壓執(zhí)行元件及輔助元件,3.1 液壓缸3.2 液壓馬達 3.3 液壓輔助元件思考題與習(xí)題,2,液壓缸（油缸）主要用于實現(xiàn)機構(gòu)的直線往復(fù)運動，也可以實現(xiàn)擺動，其結(jié)構(gòu)簡單，工作可靠，應(yīng)用廣泛。,液壓缸的輸入量是液體的流量和壓力，輸出量是速度和力。液壓缸和液壓馬達都是液壓執(zhí)行元件， 其職能是將液壓能轉(zhuǎn)換為機械能。,3,3.1 液壓缸的類型及特點,液壓缸的分類,按供油方向分：單作用缸和雙作用缸。按結(jié)構(gòu)形式分：活塞缸、柱塞缸

2、、伸縮套筒缸、擺動液壓缸。按活塞桿形式分：單活塞桿缸、雙活塞桿缸。,4,3.1.1 活塞式液壓缸,活塞式液壓缸可分為雙桿式和單桿式兩種結(jié)構(gòu)形式，其安裝又有缸筒固定和活塞桿固定兩種方式。,3.1.1.1 雙桿活塞液壓缸,雙活塞桿液壓缸的活塞兩端都帶有活塞桿，分為缸體固定和活塞桿固定兩種安裝形式，如圖3．1所示。,5,因為雙活塞桿液壓缸的兩活塞桿直徑相等，所以當(dāng)輸入流量和油液壓力不變時，其往返運動速度和推力相等。則缸的運動速度V和推力F分

3、別為：,（3.1）,（3.2）,式中:,、d —分別為活塞直徑和活塞桿直徑；,q —輸入流量；,A—活塞有效工作面積。,這種液壓缸常用于要求往返運動速度相同的場合。,6,3.1.1.2單活塞桿液壓缸,單活塞桿液壓缸的活塞僅一端帶有活塞桿，活塞雙向運動可以獲得不同的速度和輸出力，其簡圖及油路連接方式如圖3.2所示。,7,,無桿腔進油,（3.3）,（3.4）,活塞的運動速度 和推力 分別為:,8,,有桿腔進油,活塞的運動速

4、度 和推力 分別為:,（3.5）,（3.6）,9,比較上述各式，可以看出： > , > ；液壓缸往復(fù)運動時的速度比為：,（3.7）,,上式表明：當(dāng)活塞桿直徑愈小時，速度比接近1，在兩個方向上的速度差值就愈小。,10,兩腔進油,差動聯(lián)接,,,當(dāng)單桿活塞缸兩腔同時通入壓力油時，由于無桿腔有效作用面積大于有桿腔的有效作用面積，使得活塞向右的作用力大于向左的作用力，因此，活塞向右運動，

5、活塞桿向外伸出；與此同時，又將有桿腔的油液擠出，使其流進無桿腔，從而加快了活塞桿的伸出速度，單活塞桿液壓缸的這種連接方式被稱為差動連接。,11,,兩腔進油,差動聯(lián)接,,（3.8）,（3.9）,在忽略兩腔連通油路壓力損失的情況下，差動連接液壓缸的推力為：,,等效,活塞的運動速度為：,12,,兩腔進油,差動聯(lián)接,,,等效,差動連接時,液壓缸的有效作用面積是活塞桿的橫截面積，工作臺運動速度比無桿腔進油時的大，而輸出力則較小。,差動連接是在不增

6、加液壓泵容量和功率的條件下，實現(xiàn)快速運動的有效辦法。,13,3.1.2 柱塞式液壓缸,圖3.3柱塞式液壓缸,當(dāng)活塞式液壓缸行程較長時，加工難度大,使得制造成本增加。 某些場合所用的液壓缸并不要求雙向控制,柱塞式液壓缸正是滿足了這種使用要求的一種價格低廉的液壓缸。,,14,圖3.3柱塞式液壓缸,如圖3.3（a）所示，柱塞缸由缸筒、柱塞、導(dǎo)套、密封圈和壓蓋等零件組成，柱塞和缸筒內(nèi)壁不接觸，因此缸筒內(nèi)孔不需精加工，工藝性好，成本低

7、。,,15,柱塞式液壓缸是單作用的，它的回程需要借助自重或彈簧等其它外力來完成。如果要獲得雙向運動，可將兩柱塞液壓缸成對使用為減輕柱塞的重量，有時制成空心柱塞。,,式中：d—柱塞直徑，p1—進油壓力，p2—另一缸的回油壓力。,p1,p2,16,3.1.3 擺動式液壓缸,圖3.4擺動液壓缸,擺動液壓缸能實現(xiàn)小于360°角度的往復(fù)擺動運動，由于它可直接輸出扭矩，故又稱為擺動液壓馬達，主要有單葉片式和雙葉片式兩種結(jié)構(gòu)形式。,,,17

8、,圖3.4擺動液壓缸,,,單葉片擺動液壓缸主要由定子塊1、缸體2、擺動軸3、葉片4、左右支承盤和左右蓋板等主要零件組成。定子塊固定在缸體上，葉片和擺動軸固連在一起，當(dāng)兩油口相繼通以壓力油時，葉片即帶動擺動軸作往復(fù)擺動。,18,,q,單葉片擺動液壓缸的擺角一般不超過280 º ，雙葉片擺動液壓缸的擺角一般不超過150 º 。,當(dāng)輸入壓力和流量不變時，雙葉片擺動液壓缸擺動軸輸出轉(zhuǎn)矩是相同參數(shù)單葉片擺動缸的兩倍，而擺動角

9、速度則是單葉片的一半。,19,,q,擺動缸結(jié)構(gòu)緊湊，輸出轉(zhuǎn)矩大，但密封困難，一般只用于中、低壓系統(tǒng)中往復(fù)擺動，轉(zhuǎn)位或間歇運動的地方。,20,3.1.4 伸縮式液壓缸,,伸縮式單作用缸,21,伸縮式雙作用缸,缸體兩端有進、出油口A和B。當(dāng)A口進油，B口回油時，先推動一級活塞向右運動。一級活塞右行至終點時，二級活塞在壓力油的作用下繼續(xù)向右運動。 伸縮式液壓缸的特點是：活塞桿伸出的行程長，收縮后的結(jié)構(gòu)尺寸小，適用于翻斗汽車，起

10、重機的伸縮臂等。,22,3. 1. 5 液壓缸結(jié)構(gòu) 如圖 3-3所示為液壓缸，它由缸筒、蓋板、活塞、 活塞桿、緩沖裝置、放氣裝置和密封裝置等組成。 選用液壓缸時，首先應(yīng)考慮活塞桿的長度(由行程決定)， 再根據(jù)回路的最高壓力選用適合的液壓缸。,圖3-3 液壓缸結(jié)構(gòu)(a) 外觀； (b) 結(jié)構(gòu)； (c) 職能符號 ,(1) 缸筒。缸筒主要由鋼材制成。缸筒內(nèi)要經(jīng)過精細加工，表面粗糙度Ra<0.08 nm，以減少密封件的摩

11、擦。  (2) 蓋板。 通常它由鋼材制成， 有前端蓋和后端蓋之分， 它們分別安裝在缸筒的前后兩端。 蓋板和缸筒的連接方法有焊接、 拉桿、 法蘭、 羅紋連接等。 (3) 活塞。 活塞的材料通常是鋼或鑄鐵， 有時也采用鋁合金。 活塞和缸筒內(nèi)壁間需要密封， 采用的密封件有“O”形環(huán)、 “V”形油封、 “U”形油封、 “X”形油封和活塞環(huán)等。 而活塞應(yīng)有一定的導(dǎo)向長度， 一般取活塞長度為缸筒內(nèi)徑的0.6～1.0。 ,(4)

12、活塞桿。 它是由鋼材做成的實心桿或空心桿。 其表面經(jīng)淬火再鍍鉻處理并拋光。 (5) 緩沖裝置。 為了防止活塞在行程的終點與前后端蓋板發(fā)生碰撞， 引起噪音， 影響工件精度或使液壓缸損壞， 常在液壓缸前后端蓋上設(shè)有緩沖裝置， 以使活塞移到快接近行程終點時速度減慢下來直至停止。,26,當(dāng)活塞移至端部，緩沖柱塞開始插入缸端的緩沖孔時，活塞與缸端之間形成封閉空間，該腔中受困擠的剩余油液只能從節(jié)流小孔或緩沖柱塞與孔槽之間的節(jié)流環(huán)縫中擠出，從

13、而造成背壓迫使運動柱塞降速制動，實現(xiàn)緩沖。,,(6) 放氣裝置。 在安裝過程中或停止工作一段時間后， 空氣將侵入液壓系統(tǒng)內(nèi)， 缸筒內(nèi)如存留空氣， 將使液壓缸在低速時產(chǎn)生爬行、 顫抖等現(xiàn)象， 換向時易引起沖擊， 因此在液壓缸結(jié)構(gòu)上要能及時排除缸內(nèi)留存的氣體。 一般雙作用式液壓缸不設(shè)專門的放氣孔， 而是將液壓油出入口布置在前、 后蓋板的最高處。大型雙作用式液壓缸則必須在前、 后端蓋板設(shè)放氣栓塞。 對于單作用式液壓缸， 液壓油出入口一般設(shè)在缸

14、筒底部， 放氣栓塞一般設(shè)在缸筒的最高處。(7) 密封裝置。液壓缸的密封裝置用以防止油液的泄漏。 液壓缸的密封主要是指活塞、 活塞桿處的動密封和缸蓋等處的靜密封。常采用“O”形密封圈和“Y”形密封圈。,3.2 液壓馬達,3. 2. 1 液壓馬達分類及特點液壓馬達按其結(jié)構(gòu)類型來分，可以分為齒輪式、葉片式、柱塞式等形式；也可按液壓馬達的額定轉(zhuǎn)速分，可分為高速和低速兩大類： 額定轉(zhuǎn)速高于500 r/min的屬于高速液壓馬達， 額定

15、轉(zhuǎn)速低于500 r/min的屬于低速液壓馬達。 高速液壓馬達的基本形式有齒輪式、螺桿式、葉片式和軸向柱塞式等。 高速液壓馬達的主要特點是轉(zhuǎn)速高，轉(zhuǎn)動慣量小，便于啟動和制動等。 通常高速液壓馬達輸出轉(zhuǎn)矩不大（僅幾十牛·米到幾百牛·米）， 所以又稱為高速小轉(zhuǎn)矩馬達。,低速液壓馬達的基本形式是徑向柱塞式，低速液壓馬達的主要特點是排量大，體積大，轉(zhuǎn)速低（幾轉(zhuǎn)甚至零點幾轉(zhuǎn)每分鐘），輸出轉(zhuǎn)矩大（可達幾千牛·米到幾

16、萬牛·米），所以又稱為低速大轉(zhuǎn)矩液壓馬達。 3.2.2 液壓馬達的工作原理及職能符號,葉片式液壓馬達,體積小，動作靈敏，但泄漏大，低速工作時不穩(wěn)定，用于轉(zhuǎn)速高、轉(zhuǎn)矩小、動作要求靈敏的場合。,圖3-11 液壓馬達的職能符號(a) 單向定量液壓馬達； (b) 單向變量液壓馬達；(c) 雙向定量液壓馬達； (d) 雙向變量液壓馬達,3. 2. 3 液壓馬達參數(shù)計算 1、馬達的排量、流量與容積效率 排量

17、V：馬達每轉(zhuǎn)一周所需的流量，單位m3/r 輸入流量q：由泵輸入給馬達的流量，不考慮系統(tǒng)泄漏 的情況下等于泵的實際輸出流量。 容積效率 ：由于馬達內(nèi)部有泄漏，設(shè)泄漏流量為ql 2、馬達的轉(zhuǎn)速 理論轉(zhuǎn)速nT：不考慮馬達泄漏情況下的轉(zhuǎn)速,實際轉(zhuǎn)速n：考慮馬達泄漏情況下的轉(zhuǎn)速馬達的調(diào)速范圍：最大允許轉(zhuǎn)速和最低穩(wěn)定轉(zhuǎn)速之比3、馬達的輸出轉(zhuǎn)矩與機械效率理論輸出轉(zhuǎn)矩Tt：不考慮馬達

18、內(nèi)部能量損失時，馬達理論上所能輸出的轉(zhuǎn)矩。 當(dāng)馬達的輸入功率為Δpq，輸出轉(zhuǎn)速為ω時，有Δpq=Ttω,實際輸出轉(zhuǎn)矩T：馬達在實際工況下的輸出轉(zhuǎn)矩機械效率 馬達的總效率3. 2. 4 液壓泵與液壓馬達的比較,35,液壓泵和液壓馬達都是液壓傳動系統(tǒng)中的能量轉(zhuǎn)換元件。,液壓泵由原動機驅(qū)動，把輸入的機械能轉(zhuǎn)換成為油液的壓力能，再以壓力、流量的形式輸入到系統(tǒng)中去，它是液壓系統(tǒng)的動力源。,液壓馬達則將輸入的壓力能轉(zhuǎn)換成機械能，以

19、扭矩和轉(zhuǎn)速的形式輸送到執(zhí)行機構(gòu)做功，是液壓傳動系統(tǒng)的執(zhí)行元件。,,,,,,液壓輸出,,,,液壓輸入,機械輸出,36,液壓輸出,,液壓輸入,機械輸出,液壓馬達是實現(xiàn)連續(xù)旋轉(zhuǎn)運動的執(zhí)行元件，從原理上講，向容積式泵中輸入壓力油，迫使其轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動，就成為液壓馬達，即容積式泵都可作液壓馬達使用。,但在實際中由于性能及結(jié)構(gòu)對稱性等要求不同，一般情況下，液壓泵和液壓馬達不能互換。,3.3 液壓輔助元件,3. 3. 1 油箱油箱的主要功能是儲存油

20、液，此外，還有散熱(以控制油溫)，阻止雜質(zhì)進入，沉淀油中雜質(zhì)，分離氣泡等功能。 油箱容量如果太小， 就會使油溫上升。油箱容量一般設(shè)計為泵每分鐘流量的2～4倍， 或所有管路及元件均充滿油， 且油面高出過濾器50～100 mm，而液面高度只占油箱高度的80%時的油箱容積。 ,1) 油箱形式油箱可分為開式和閉式兩種，開式油箱中油的油液面和大氣相通， 而閉式油箱中的油液面和大氣隔絕。 液壓系統(tǒng)中大多數(shù)采用開式油箱。 2

21、) 油箱結(jié)構(gòu)開式油箱大部分是由鋼板焊接而成的，圖3-12所示為工業(yè)上使用的典型焊接式油箱3) 隔板及配管的安裝位置 隔板裝在吸油側(cè)和回油側(cè)之間， 如圖3-13所示，以起到沉淀雜質(zhì)、 分離氣泡及散熱的作用。 ,圖3-12 焊接式油箱,圖3-13 隔板的位置,,油箱中常見的配油管有回油管、 吸油管及排泄管等， 有關(guān)安裝尺寸見圖3-14所示。 吸油管的口徑應(yīng)為其余供油管徑的1.5倍，以免泵吸入不

22、良?；赜凸苣┒艘谝好嫦?，且其末端切成45°傾角并面向箱壁，以使回油沖擊箱壁而形成回流，這樣有利于冷卻油溫和沉淀雜質(zhì)。 系統(tǒng)中排泄管應(yīng)盡量單獨接入油箱。各類控制閥的排泄管端部應(yīng)在液面以上，以免產(chǎn)生背壓；泵和馬達的外泄油管其端部應(yīng)在液面之下，以免吸入空氣。,圖3-14 配管的安裝及尺寸,4) 附設(shè)裝置為了監(jiān)測液面， 油箱側(cè)壁應(yīng)裝油面指示計。 為了檢測油溫，一般在油箱上裝溫度計，且溫度計直接浸入油中。在油箱上亦裝

23、有壓力計，可用以指示泵的工作壓力。3. 3. 2 濾油器1. 濾油器的結(jié)構(gòu)濾油器（filter）一般由濾芯(或濾網(wǎng))和殼體構(gòu)成。 其通流面積由濾芯上無數(shù)個微小間隙或小孔構(gòu)成。 當(dāng)混入油中的污物（雜質(zhì)）大于微小間隙或小孔時， 雜質(zhì)被阻隔而濾清出來。 若濾芯使用磁性材料時， 則可吸附油中能被磁化的鐵粉雜質(zhì)。,濾油器可以安裝在油泵的吸油管路上或某些重要零件之前，也可安裝在回油管路上。 濾油器可分成液壓管路中使用的

24、和油箱中使用的兩種。油箱內(nèi)部使用的濾油器亦稱為濾清器和粗濾器， 是用來過濾掉一些太大的，容易造成泵損壞的雜質(zhì)（在0.1mm3以上）的，圖3-15為殼裝濾清器（strainer），裝在泵和油箱吸油管途中。如圖3-16所示為無外殼濾清器， 安裝在油箱內(nèi)，拆裝不方便，但價格便宜。 ,圖3-15 殼裝濾清器(a) 結(jié)構(gòu)； (b) 職能符號,圖3-16 無外殼濾清器(a) 外觀； (b) 結(jié)構(gòu)； (c) 職能符號,管用濾油器有壓力管用濾

25、油器及回油管用濾油器。 如圖3-17所示為壓力管用濾油器，因要受壓力管路中的高壓力， 所以耐壓力問題必須考慮； 回油管用濾油器是裝在回油管路上的， 壓力低， 只需注意沖擊壓力的發(fā)生即可。 就價格而言， 壓力管用濾油器較回油管用濾油器貴出許多。 ,圖3-17 壓力管用濾油器(a) 外觀； (b) 結(jié)構(gòu),2. 濾油器的選用選用濾油器時應(yīng)考濾到如下問題： (1)過濾精度。 原則上大于濾芯網(wǎng)目的污染物是不能通過濾芯的。

26、濾油器上的過濾精度常用能被過濾掉的雜質(zhì)顆粒的公稱尺寸大小來表示。系統(tǒng)壓力越高，過濾精度越低。(2）液壓油通過的能力。 液壓油通過的流量大小和濾芯的通流面積有關(guān)。一般可根據(jù)要求通過的流量選用相對應(yīng)規(guī)格的濾油器。（為降低阻力， 濾油器的容量為泵流量的2倍以上。),(3）耐壓。選用濾油器時必須注意系統(tǒng)中沖擊壓力的發(fā)生。 而濾油器的耐壓包含濾芯的耐壓和殼體的耐壓。 一般濾芯的耐壓為0.01～0.1 MPa， 這主要靠濾芯有足夠的通流面積

27、，使其壓降小，以避免濾芯被破壞。 濾芯被堵塞， 壓降便增加。  必須注意：濾芯的耐壓和濾油器的使用壓力是不同的，當(dāng)提高使用壓力時，要考慮殼體是否承受得了，而與濾芯的耐壓無關(guān)。,3. 濾油器的安裝位置如圖3-18所示為液壓系統(tǒng)中濾油器的幾種可能安裝位置。,圖3-18 濾油器的安裝位置,(1)濾油器（濾清器）1：安裝在泵的吸入口，其作用如前文所述。  (2) 濾油器2： 安裝在泵的出口，屬于壓力管用濾油器，用

28、來保護泵以外的其他元件。 一般裝在溢流閥下游的管路上或和安全閥并聯(lián)，以防止濾油器被堵塞時泵形成過載。  (3) 濾油器3： 安裝在回油管路上，屬于回油管用濾油器， 此濾油器的殼體耐壓性可較低。 ,(4) 濾油器4：安裝在溢流閥的回油管上，因其只通泵部分的流量，故濾油器容量可較小。 (5)濾油器5： 為獨立的過濾系統(tǒng)，其作用是不斷凈化系統(tǒng)中的液壓油， 常用在大型的液壓系統(tǒng)里。3. 3. 3 空氣濾清器

29、為防止灰塵進入油箱， 通常在油箱的上方通氣孔裝有空氣濾清器。 有的油箱利用此通氣孔當(dāng)注油口， 如圖3-19所示為帶注油口的空氣濾清器。 空氣濾清器的容量必須能使當(dāng)液壓系統(tǒng)達到最大負荷狀態(tài)時， 仍能保持大氣壓力的程度。 ,,圖3-19 帶注油口的空氣濾清器(a) 外觀； (b) 結(jié)構(gòu)； (c) 職能符號,3. 3. 4 油冷卻器液壓油的工作溫度以40 ℃～60 ℃為宜， 最高不得大于60 ℃， 最低不得低于15 ℃

30、， 液壓系統(tǒng)在運轉(zhuǎn)時難免會有能量損失， 其損失大部分變成了熱量。 熱量一小部分由元件或管路等表面散掉了， 另外大部分被液壓油帶回油箱而促使油溫上升。 油溫如超過60 ℃， 將加速液壓油的惡化， 促使系統(tǒng)性能下降。 如果油箱的表面散熱量能夠和所產(chǎn)生的熱量相平衡， 那么油溫就不會過高， 否則必須加油冷卻器來抑制油溫的上升。 ,油冷卻器可分成水冷式和氣冷式兩大類。1. 水冷式油冷卻器水冷式油冷卻器通常采用殼管式油冷卻器。

31、它是由一束小管子（冷卻管）裝置在一個外殼里所構(gòu)成的。 ,,圖3-20 水冷式直管型油冷卻器 (a) 外觀； (b) 結(jié)構(gòu),2. 氣冷式油冷卻器 氣冷式冷卻器的構(gòu)造如圖3-21所示，由風(fēng)扇和許多帶散熱片的管子所構(gòu)成。油在冷卻管中流動，風(fēng)扇使空氣穿過管子和散熱片表面， 以冷卻液壓油。其冷卻效率較水冷低， 但如果在冷卻水不易取得或水冷式油冷卻器不易安裝的場所，有時還必須采用氣冷式，尤以行走機械的液壓系統(tǒng)

32、使用較多。 ,圖3-21 氣冷式油冷卻器,3. 油冷卻器安裝的場所油冷卻器安裝在熱發(fā)生體附近，且液壓油流經(jīng)油冷卻器時， 壓力不得大于1 MPa。 有時必須用安全閥來保護， 以使它免于高壓的沖擊而造成損壞。 一般將油冷卻器安裝在如下一些場所：(1）熱發(fā)生源， 如溢流閥附近，如圖3-22所示。  (2）發(fā)熱為配管的磨擦阻抗產(chǎn)生熱以及外來的輻射熱， 常把油冷卻器裝在配管的回油側(cè)，如圖3-23所示。 圖中切斷閥為

33、保養(yǎng)用， 方便油冷卻器拆裝。 單向閥在防止油冷卻器受各自機器的沖擊力的破壞以及在大流量時， 僅讓需要流量通過油冷卻器。 ,圖3-22 冷卻溢流閥流出來的油的回路,圖3-23 冷卻溢流閥流出來的油的回路,(3） 當(dāng)液壓裝置很大且運轉(zhuǎn)的壓力很高時， 使用獨立的冷卻系統(tǒng)， 如圖3-24所示。  圖3-24 獨立冷卻回路,4. 油冷卻器的冷卻水 為防止冷卻器累積過多的水垢而影響熱交換效率， 可在冷卻器

34、內(nèi)裝一濾油器。 冷卻水要用清潔的軟水。 3. 3. 5 蓄能器 1. 蓄能器（accumulators）功用 蓄能器是液壓系統(tǒng)中的一種儲存油液壓力能的裝置， 其主要功用如下：(1) 作輔助動力源。(2) 保壓和補充泄漏。(3) 吸收壓力沖擊和消除壓力脈動。 ,2. 蓄能器的分類和選用蓄能器有彈簧式、重錘式和充氣式三類。常用的是充氣式， 它利用氣體的壓縮和膨

35、脹儲存、釋放壓力能，在蓄能器中， 氣體和油液被隔開，而根據(jù)隔離的方式不同，充氣式又分為活塞式、皮囊式和氣瓶式等三種。下面主要介紹常用的活塞式和皮囊式兩種蓄能器。 1) 活塞式蓄能器如圖3-25(a)所示為活塞式蓄能器，用缸筒2內(nèi)浮動的活塞l將氣體與油液隔開，氣體(一般為惰性氣體氮氣)經(jīng)充氣閥3進入上腔， 活塞1的凹部面向充氣閥，以增加氣室的容積， 蓄能器的下腔油口a充液壓油。,圖3-25 充氣式蓄能器(a) 活塞式；